淺談泥沙輸移過程研究進(jìn)展
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論文導(dǎo)讀：植物能夠大幅度減少水流的擴(kuò)散系數(shù)。在南匯東灘的高潮灘、中潮灘和低潮灘的不同觀測(cè)點(diǎn)的泥沙運(yùn)移模型研究中發(fā)現(xiàn), 高、中潮灘的泥沙向岸輸送, 低潮灘上的泥沙上層歸槽, 下層上灘, 形成一個(gè)順時(shí)針向的泥沙輸移垂向環(huán)流。3、界面數(shù)據(jù)的連續(xù)性采集不夠。未能把整個(gè)界面內(nèi)的泥沙輸移過程作為一個(gè)整體的研究對(duì)象。
關(guān)鍵詞：高潮灘,界面,植物,泥沙輸移
0 引言
鹽沼水-沉積物-植物界面上鹽沼水沙在鹽沼區(qū)域產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，界面上存在著水平，沉降，再懸浮等一系列復(fù)雜的泥沙輸移過程，而植物的介入則大大增加了界面泥沙水平，垂直輸移過程的復(fù)雜性。但由于研究手段，數(shù)據(jù)的采集精確度等方面的局限，研究還有待進(jìn)一步的開展，下面就國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出以后的研究方向：
1 界面泥沙水平輸移過程
1.1 光灘與鹽沼地(植被覆蓋)比較
在有鹽生植物覆蓋的潮灘地區(qū)，潮汐攜帶的泥沙輸入到潮灘系統(tǒng)內(nèi)并在鹽沼表面擴(kuò)散，它們有很強(qiáng)的“捕沙”能力,使水體含沙濃度減小，影響著水體的流速，懸沙濃度，泥沙沉積速率等。時(shí)鐘與國外學(xué)者通過海岸鹽沼冠層的一維潮流水槽模擬試驗(yàn)的研究，結(jié)果表明:海岸鹽沼冠層對(duì)懸浮泥沙的濃度、沉降速度以及淤積速率產(chǎn)生強(qiáng)烈影響,冠層內(nèi)潮流和波浪受到植物冠層的阻滯，能量減弱，潮流挾沙能力下降，使泥沙發(fā)生沉降，低流速水槽（模擬湖流無波浪影響）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)植物冠層下的流速減少可達(dá)50% [3-7] （野外較難）。莊武藝等在澳大利亞庫納灣潮間帶海草群落帶（寬約10m，高約20-30m）測(cè)得，海草也可使低層流速降低40%-60%，懸移質(zhì)含量減少20%-35%，懸沙濃度降低65%-80%。 [8]
在對(duì)長江口南匯東灘鹽沼海三棱鑣草/互花米草覆蓋區(qū)域和光灘間近低層懸沙濃度的監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)前者懸沙濃度比后者低11%-27%。 [9] 楊世倫等通過沼澤島與同高程的相鄰光灘懸沙濃度的對(duì)比，在漲潮初期得出：(1) 懸沙濃度在時(shí)間序列上是脈動(dòng)的,最大與最小懸沙濃度之比在光灘為2.41,在沼澤島中為 1.46; (2) 沼澤島中的懸沙濃度通常低于相鄰的光灘,平均比值為 0.71。在測(cè)得漲潮水體含沙量為3.2684kg/m 3 的狀況下,長江口海三棱草和鑣草兩種先鋒植物群落黏附的懸沙分別達(dá)到298g/m 2 和40g/m 2 。 [10]
在室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)中研究人員發(fā)現(xiàn)，有植株體的水流與自由水流相比，植物能夠大幅度減少水流的擴(kuò)散系數(shù)，其中單枝植株背水面形成的回旋區(qū)可以緩滯水流物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，并將部分泥沙捕獲，大大減少了泥沙的沉積量。 [11] Leonard etal.通過實(shí)驗(yàn)指出:由植物的“攔截作用”而引起的泥沙沉積通常不超過沉積物總量的5%。 [12] 植株的這種黏著作用的大小主要取決于植物的品種，結(jié)構(gòu)以及懸浮物質(zhì)對(duì)植物莖葉的附著能力。免費(fèi)論文網(wǎng)。Fench和Spencer發(fā)現(xiàn)NorthNorfolk的Hut鹽沼地區(qū)泥沙沉積總量中8.5%為植物表面所捕獲，從而減少了泥沙的沉積量。 [13]
相對(duì)與光灘來說，鹽沼地區(qū)更能影響懸浮泥沙的沉降，在一些河口潮間帶時(shí)亦發(fā)現(xiàn)鹽沼和光灘的沖淤過程差異顯著。實(shí)驗(yàn)表明鹽沼前沿冠層中植被通過減弱波高和波能來降低懸浮泥沙的沉降，數(shù)據(jù)表明波浪振幅明顯較相鄰光灘小,平均振幅前者是后者的0.45倍,波高衰減率為55%,波能衰減率為80%,進(jìn)而降低了懸浮泥沙的沉降速率。 [9] Knuston etal.曾對(duì)互花米草鹽沼中波能的衰減做過半定量的研究，波浪每傳入互花米草1m,波能就損失約26 %。免費(fèi)論文網(wǎng)。 [14] Stumpf認(rèn)為Delaware鹽沼地區(qū)水體中損失的懸浮泥沙有50%黏著在植株體上. [15] Thomas and Kozerski也在低流速水槽中對(duì)人工水生植物的研究也發(fā)現(xiàn)植物莖，葉上黏著的泥沙與植株覆蓋下灘面相當(dāng)， [7] 這些都將降低懸浮泥沙的沉降。
1.2 不同植被狀況（種類，密度）
植物種類不同，對(duì)潮流、波浪的遮蔽程度不同，影響泥沙沉積的大小也就不同。Fonsecaand Cahalan (1992) 曾在波浪水槽中對(duì)四種海草導(dǎo)致的波能衰減做過定量測(cè)定，結(jié)果表明泥沙的沉積大小隨植物的種類不同而不同。 [16] 國內(nèi)一些學(xué)者的水槽實(shí)驗(yàn)表明同一高程上海三棱鑣草的緩流效應(yīng)比互花米草大,這是因?yàn)閮烧叩纳鷳B(tài)指標(biāo)(密度、蓋度和莖葉的分布狀況)不同，從平均值而言,海三棱鑣草的緩流效應(yīng)較互花米草略強(qiáng)。
楊世倫在1985-1987年的三個(gè)夏季觀察，在長江口潮灘對(duì)鹽的堿蓬灘地，人工種植的大米灘地，海三棱鑣草灘地觀察，得出了不同的植物對(duì)鹽沼灘地影響。蘆葦，海三棱鑣草的淤積速率分別是光灘的9.3和7.7倍。 [17] 在從光灘經(jīng)海三棱鑣草群落（高為0.85m,密度為1290株/m2）至互花米草群落（高為0.9m,密度為650株/m2）的過渡中,沉積物越來越細(xì),平均粒徑由小于8.27變?yōu)樾∮?.83;黏土含量由12%變?yōu)?3%。 [10] 一般情況下、海岸鹽沼冠層中植株的粗細(xì)、密度和莖葉的分布狀況會(huì)決定近底水流的性質(zhì)，從而影響到懸浮泥沙的沉降。
1.3 底床穩(wěn)定性比較
植物能削弱潮流波浪對(duì)灘面的剪應(yīng)力（增大了灘面的抗剪強(qiáng)度），進(jìn)而減少泥沙的再懸浮量，增加低床的穩(wěn)定性。
Thompson，et al.利用野外實(shí)地水槽對(duì)意大利威尼斯瀉湖和加拿大Rustico灣鹽沼植物對(duì)低床剪應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)水流達(dá)到一定流速（u>0.4-0.5ms -1 ）時(shí)植被覆蓋下的低床剪應(yīng)力當(dāng)發(fā)生明顯下降，表明低床的穩(wěn)定性明顯增加，這主要由于高流速水流使植物發(fā)生彎折，消耗更多的動(dòng)能所致。 [18] 植叢的掩護(hù)有使灘面沉積物不易掀起，增加了低床的穩(wěn)定性的作用，植被覆蓋的灘面始終為淤積過程，而光灘則呈現(xiàn)為頻繁的沖積變化，長江口蘆葦帶淤長速率可達(dá)光灘的9倍以上。 [10] 朱駿,楊世倫等對(duì)長江口南匯濱海岸段（近堤900 m 寬的灘面有植被覆蓋，其中,岸堤至堤外300m為蘆葦,堤外300～900m為海三棱鑣草，距堤900m以外為光灘）各觀測(cè)點(diǎn)的年垂直淤積速率觀測(cè)，結(jié)果表明：由于潮灘上近堤的900m有植被覆蓋,潮水進(jìn)入鹽沼后,產(chǎn)生侵蝕壓力，潮水的流速減小,波高降低,攜帶泥沙的能力下降,導(dǎo)致泥沙迅速沉積,含沙量明顯減小,淤積速率逐漸下降，進(jìn)而增加了河床的穩(wěn)定性。免費(fèi)論文網(wǎng)。相關(guān)學(xué)者還對(duì)鹽沼帶的相對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果表明：鹽沼帶的相對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)大于光灘,植被覆蓋的鹽沼灘地,易淤積而不易被沖刷,淤積速率較大;淤積和沖刷的波動(dòng)較小,相對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)大，而光灘,易受到?jīng)_刷,淤積速率較小;沖刷和淤積的波動(dòng)較大,相對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)較小。 [17]
2、 界面泥沙垂直輸移過程
目前對(duì)界面泥沙垂直輸移過程的研究國內(nèi)外大多是對(duì)灘面垂直淤積速率和懸沙濃度的垂向變化的研究，在某斷面上不同的觀測(cè)點(diǎn)做定期或定時(shí)的觀測(cè)來定量研究。
Marker在Parkgate（英格蘭Dee河口）估計(jì)1947至1963年垂直增長沉積速率為25mm/a。 [19] Armentano和Woodwell發(fā)現(xiàn) LongIsland鹽沼過去100年的沉積速率為0.64cm/a。 [20] Delaune等測(cè)量到路易斯安娜州西南Spartina patens鹽沼的增長速率平均為 0.8mm/a，在過去的三十年中，垂直增長速率還沒有與海岸下沉相匹配。 [21] Stevenson 等測(cè)量到馬里蘭東岸的沉積速率為0.17到0.36cm/a。 [22]
我國學(xué)者朱駿, 楊世倫等對(duì)長江口濱海某研究斷面上24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的定期(每周一次) 灘面高程測(cè)量結(jié)果的分析, 定量化地探討了灘面垂直淤積速率的變化，結(jié)果分析得出: (1) 灘面的年垂直淤積速率在淹沒機(jī)率為30 % 左右的沼澤中下部(位于平均小潮高潮線與平均高潮線之間) 達(dá)到4915 cm/ a 的最大值。自這點(diǎn)向岸和向海垂直淤積速率逐漸降低, 向岸在近堤處(接近平均大潮高潮位) 達(dá)到最小值212 cm/ a (僅為最大值的1/ 22) , 向海在光灘—沼澤交界處出現(xiàn)另一低值, 而在光灘上又有所增大。 [17] 時(shí)鐘利用“聲學(xué)懸沙觀測(cè)系統(tǒng)”對(duì)長江口深水航道北槽在漲潮，漲急，漲憩，落潮的懸沙濃度的垂向變化做了觀測(cè)分析，得出在漲潮，漲憩時(shí)懸沙濃度垂向梯度較小，（濃度小于1.0gl -1 ），而在漲急和落潮時(shí)懸沙濃度垂向梯度較大，（可達(dá)10gl -1 ），在接近落憩時(shí)，懸沙濃度的垂向梯度適中。 [23]
目前已有眾多學(xué)者利用聲學(xué)儀器獲得了定點(diǎn)或斷面上的懸沙濃度分布剖面， [24-31] 通過對(duì)長江口南港和南槽兩站懸沙粒徑的頻率分布曲線的分析得出長江口在枯水期垂向混合作用強(qiáng)烈。在水下不同深度3米，6米，11米處對(duì)懸沙的砂、粉砂和粘土三種組分所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差峰值的比較分析，說明組分在水體上部的變化程度要大于底部, 主要是由于底部再懸浮作用將下部的粗顆粒物質(zhì)帶到水體上部造成的。同時(shí)懸沙各粒級(jí)在半日潮周期內(nèi)的變化特性也反映了再懸浮作用的影響∶隨著水深的減小,其敏感組分相應(yīng)增多,同時(shí)變化程度(標(biāo)準(zhǔn)差值) 也增大。此外,水深、流速和懸沙濃度的潮變動(dòng)相關(guān)項(xiàng)以及垂向環(huán)流的作用和垂向潮振蕩切變作用也和懸沙輸運(yùn)密切相關(guān),這表明了再懸浮和垂向環(huán)流對(duì)懸沙輸運(yùn)的重要作用。 [31] 在南匯東灘的高潮灘、中潮灘和低潮灘的不同觀測(cè)點(diǎn)的泥沙運(yùn)移模型研究中發(fā)現(xiàn), 高、中潮灘的泥沙向岸輸送, 低潮灘上的泥沙上層歸槽, 下層上灘, 形成一個(gè)順時(shí)針向的泥沙輸移垂向環(huán)流。 [32]
3、結(jié)論
由上述的研究現(xiàn)狀可知，該領(lǐng)域研究難度大，耗費(fèi)高（高精度檢測(cè)儀器，野外觀測(cè)平臺(tái)建設(shè)等），致使研究深度相對(duì)不足，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1、野外實(shí)地獲得第一手?jǐn)?shù)據(jù)困難。目前所得數(shù)據(jù)大多是在理想狀態(tài)下采集，野外考察獲取數(shù)據(jù)比較少，并且多以定性分析為主，某種程度上缺乏定量分析，以至影響該問題的深入研究。
2、數(shù)據(jù)的可靠性受到質(zhì)疑。使用傳統(tǒng)儀器的局限性是工作量大、耗資巨大、數(shù)據(jù)的空間分辨率較低,存在一定誤差,這需要我們?cè)趯?shí)際工作中盡量采用一些高精度,高分辨率實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備采集樣本,以縮小與實(shí)際的誤差。當(dāng)然這需要一定技術(shù)和資金的支持。
3、界面數(shù)據(jù)的連續(xù)性采集不夠。目前數(shù)據(jù)采集和樣品取樣一般多進(jìn)行的是小尺度上（時(shí)日）的，時(shí)間間隔一般在2，3個(gè)月左右，跨年度的采集取樣較少，對(duì)比分析較少，這必將影響該領(lǐng)域整體性的研究，具有一定的局限性。
4、界面的整體性研究不足。當(dāng)前研究多側(cè)重于界面上各個(gè)因子的獨(dú)立研究，未能把整個(gè)界面內(nèi)的泥沙輸移過程作為一個(gè)整體的研究對(duì)象，研究的領(lǐng)域比較局限。尤其是對(duì)植物覆蓋條件下水流中的懸沙濃度垂向分布的研究，還幾乎是空白。綜上所述，基于國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)在這方面積累了大量的寶貴資料，我們?cè)诮窈蟮墓ぷ髦袘?yīng)繼續(xù)加強(qiáng)這方面的研究，以期對(duì)該領(lǐng)域研究有所突破。
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